CN102832873A

CN102832873A - 一种永磁同步电机驱动方法及驱动电路

Info

Publication number: CN102832873A
Application number: CN2012103031002A
Authority: CN
Inventors: 孙冬晨; 宋护朝
Original assignee: FOSHAN SHUNDE H&T ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: FOSHAN SHUNDE H&T ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明提供一种永磁同步电机驱动方法：在电机主控程序中，实施以下步骤：1）调用120度驱动软件模块对电机进行启动；2）当满足特定条件时，调用电机参数计算软件模块，根据所检测到的电机上UVW相的电压和电流，计算电机的d轴电感Ld、q轴电感Lq、发电系数Ke以及转矩常数Kt；3）电机参数计算软件模块向电机主控程序输入d轴电感Ld、q轴电感L q、发电系数Ke以及转矩常数Kt的值，电机主控程序瞬时停止调用120度驱动软件模块；4）调用180度驱动软件模块对电机进行驱动。本发明还提供一种采用以上驱动方法的电路。可令永磁同步电机的性能得到较为全面的提升，并且该提升不会为产品的成本带来很大的提高。

Description

一种永磁同步电机驱动方法及驱动电路

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机驱动方法及驱动电路。

背景技术

现时市面上的永磁同步电机的主流驱动方法有两种：120度驱动方式和180度驱动方式。

对于120度驱动方式，如图1所示，又叫六步换向法，如每步的左边小图所示，在周向上将定子分为6个区，每个区域为60度，每个区域功率管H桥电路的电子开关的导通状态如每步的右边小图所示。可以看出，120度驱动方式中，永磁转子转到特定的位置时，将对应一种电子开关的导通模式，而这样的导通模式共有6种，依次循环切换，实现永磁转子的连续转动。120度驱动方式对于永磁转子位置的估计采用的是电机UVW三相的感应电压来进行的，该驱动方式中任何时间只有两个绕组通电，通过上下桥臂各一个电子开关的导通来实现；而剩下的一个绕组不通电，正好用来做对应相的感应电压检测，继而估算永磁转子的位置以决定导通模式切换的时机。由于120度驱动方式完全不依赖于电机的参数，因此该驱动方式具有鲁棒性好，电机容易启动的优点，但其也存在转矩脉动大、振动和噪声大等缺点。

对于180度驱动方式，如图2所示，该驱动方式的核心在于位置估计模块算法建模（RotorAngle Estimator）的准确性。该驱动方式包含其特定的驱动算法，在输入其驱动算法所需的参数后，本驱动方式可准确地控制定子上相应相的电流导通时机，使定子上产生的磁场准确地超前永磁转子磁场90度，以使永磁转子可连续转动。这样的驱动方式由于对定子的相电流的控制都是实时的，所以对转矩的控制都很及时，当负载一定时，转矩的脉动几乎为0。但是该驱动方式严重依赖电机的如下参数：d轴电感Ld、q轴电感L q、发电系数Ke以及转矩常数Kt。如果这些参数有偏差，将影响电机的正常运行，偏差严重时，电机不能够正常启动，同时还有可能导致电机退磁。由于永磁同步电机的d轴电感Ld、q轴电感L q、发电系数Ke以及转矩常数Kt等是由电机本身的结构决定的，即使结构相同的两台电机之间的上述参数也会存在差异，这就使得如果想要每台电机都工作在最佳状态，必须事先对每台电机的上述参数进行单独测定并输入，否则只能向各台电机输入对应的共用值，通过牺牲电机的运转性能以换取较低的调试成本。

以上两种主流的驱动方式均存在各自的优缺点，于是希望能有一种新的永磁电机驱动方法及电路，可以很好地提高永磁同步电机的启动和运转性能。

发明内容

本发明旨在提供一种具有良好启动性能和运转性能的永磁同步电机驱动方法及驱动电路。

本发明的驱动方法如下：

在电机主控程序中，实施以下步骤：

1）调用120度驱动软件模块对电机进行启动；

2）当电机的实际转速处于目标转速的预设转速差范围内时，调用电机参数计算软件模块，根据所检测到的电机上UVW相的电压和电流，计算电机的d轴电感Ld、q轴电感Lq、发电系数Ke以及转矩常数Kt；

3）电机参数计算软件模块向电机主控程序输入d轴电感Ld、q轴电感L q、发电系数Ke以及转矩常数Kt的值，电机主控程序瞬时停止调用120度驱动软件模块；

4）调用180度驱动软件模块对电机进行驱动。

本发明的驱动方法结合了120度驱动方式启动性能好以及180度驱动方式运转平稳性好的优点，当电机运行于180度驱动方式时，其所依赖的d轴电感Ld、q轴电感L q、发电系数Ke以及转矩常数Kt等参数的值是从电机自身上测量并计算出来的，专机专用，可确保电机以最佳状态运行，从而令永磁同步电机的工作性能大大提高。

为使电机具有直接以180度驱动方式运行的功能，可在上述步骤1）之前加入判断运行模式的步骤，判断为要以180度驱动方式运行时，向电机主控程序输入预设的d轴电感Ld、q轴电感L q、发电系数Ke以及转矩常数Kt的值，并直接调用180度驱动软件模块对电机进行驱动。

本发明还提供一种永磁同步电机驱动电路，采用以下的技术方案：

一种永磁同步电机驱动电路，包括MCU单片机模块、功率管驱动模块、功率管H桥电路、感应电压处理模块、电机电流处理模块和电机电流采样网络电路；MCU单片机模块的输出端与功率管驱动模块的输入端对应连通，功率管驱动模块的输出端与功率管H桥电路的输入端对应连通，功率管H桥电路的电压反馈输出端与感应电压处理模块的输入端对应连通，感应电压处理模块的输出端与MCU单片机模块的对应端连通，功率管H桥电路经电机电流采样网络电路而与电机电流处理模块的输入端对应连通，电机电流处理模块的输出端与MCU单片机模块的对应端连通；所述MCU单片机模块为具有支持电机矢量控制算法的单片机；所述感应电压处理模块为具有通过检测三相绕组感应电压的过零点来确定转速及ud，uq交直轴电压能力的模块；所述电机电流处理模块为具有将检测到的电流分解为对应的iu，iv，iw绕组电流并且可以转换为id，iq交直轴电流能力的模块。

本发明与现有技术相比，可令永磁同步电机的性能得到较为全面的提升，并且该提升不会为产品的成本带来很大的提高。

附图说明

图1是现有技术中120度驱动方式的工作原理图；

图2是现有技术中180度驱动方式的电路原理图；

图3是实施例1的运行流程图；

图4是实施例2的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。

实施例1

如图3所示，本实施例的驱动方法包括：

在电机主控程序中，实施以下步骤：

1）判断运行模式，判断为要以180度驱动方式运行时，向电机主控程序输入预设的d轴电感Ld、q轴电感L q、发电系数Ke以及转矩常数Kt的值，并直接调用180度驱动软件模块对电机进行驱动；判断为要以120度驱动方式起动时，执行步骤2）。

2）调用120度驱动软件模块对电机进行启动。

3）当电机的实际转速处于目标转速的预设转速差范围内时，调用电机参数计算软件模块，根据所检测到的电机上UVW相的电压和电流，计算电机的d轴电感Ld、q轴电感Lq、发电系数Ke以及转矩常数Kt。

4）电机参数计算软件模块向电机主控程序输入d轴电感Ld、q轴电感L q、发电系数Ke以及转矩常数Kt的值，电机主控程序瞬时停止调用120度驱动软件模块。

5）调用180度驱动软件模块对电机进行驱动。

6）电机速度反馈值平稳，没有异常波动，则以180度驱动方式运行，否则返回步骤3）。

120度驱动软件模块的作用是完成电机在120度模式的六步换向法控制。需要通过对不通电相的感应电压的检测完成对转子位置的估算，继而控制驱动电路的工作模式，实现线圈电流的换向。

180度驱动软件模块的作用是完成电机在180度模式下的相电流正弦电流模式的控制。通过电机转子位置速算，按照FOC算法，SVPWM算法驱动功率管H桥电路中的功率管工作，达到控制线圈电流的目的。

电机参数计算软件模块是在120度工作条件下根据电机工作时的感应电压信息，相电流信息，确定电机d轴电感Ld、q轴电感Lq、发电系数Ke和转矩常数Kt值的部分。

永磁电机d-q坐标系的数学模式如下：

u_{d} = \frac{{dψ}_{d}}{dt} - ω_{r} ψ_{q} + R_{s} i_{d}

u_{q} = \frac{{dψ}_{q}}{dt} + ω_{r} ψ_{d} + R_{s} i_{q}

ψ_q=L_qi_q

ψ_d=L_di_d+ψ_f

用120度驱动方式运行起来，速度稳定后，定子电压交直轴分量u_d和u_q、定子电流交直轴分量i_d和i_q都可以测量得出，在稳态时，

和

都为0，可以通过不同的ω_r值多次测量，计算出Ld和Lq，其中ψ_d、ψ_q为磁链交直轴分量，R_s为定子绕组的电阻，ω_r为转子电角速度，ψ_f为永磁铁的磁链。

在稳态情况下，由式子(k_en)²=(ω_rψ_q)²+(ω_rψ_d)²可以计算出Ke，其中n为电机转速。

Kt值则可由式子计算出，其中p_n为电机极对数。

本实施例的驱动方法可让电机具有两种工作模式：a）以180度驱动方式起动，以180度驱动方式运行；b）以120度驱动方式起动，以180度驱动方式运行。当以后者方式工作时，具有比前者更好的起动性能。

实施例2

如图4所示，本实施例为其中一种采用实施例1所述驱动方法的驱动电路，包括MCU单片机模块、功率管驱动模块、功率管H桥电路、感应电压处理模块、电机电流处理模块和电机电流采样网络电路。

其中：

MCU单片机模块采用型号为MN103SFJ9D的模块。功率管驱动模块采用型号为6E003206-F的模块。感应电压处理模块采用型号为MN103SFJ9D的模块。电机电流处理模块采用型号为MCP602i的模块。

如图4所示，

MCU单片机模块的输出端包括：UH管脚、VH管脚、WH管脚、UL管脚、VL管脚、WL管脚和FO管脚。功率管驱动模块的输入端包括：HIN1管脚、HIN2管脚、HIN3管脚、LIN1管脚、LIN2管脚、LIN3管脚和FAULT管脚。UH管脚与HIN1管脚连通；VH管脚与HIN2管脚连通；WH管脚与HIN3管脚连通；UL管脚与LIN1管脚连通；VL管脚与LIN2管脚连通；WL管脚与LIN3管脚连通；FO管脚与FAULT管脚连通。

功率管驱动模块的输出端包括：HO1管脚、HO2管脚、HO3管脚、LO1管脚、LO2管脚和LO3管脚。功率管H桥电路中包括有第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5和第六功率管Q6。HO1管脚连通至第一功率管Q1的管脚1、HO2管脚连通至第二功率管Q2的管脚1、HO3管脚连通至第三功率管Q3的管脚1、LO1管脚连通至第四功率管Q4的管脚1、LO2管脚连通至第五功率管Q5的管脚1、LO3管脚连通至第六功率管Q6的管脚1。

功率管H桥电路的第一电压反馈输出端RUA与感应电压处理模块的IN1管脚连通；功率管H桥电路的第二电压反馈输出端RUB与感应电压处理模块的IN2管脚连通；功率管H桥电路的第三电压反馈输出端RUC与感应电压处理模块的IN3管脚连通。感应电压处理模块的OUT1管脚与MCU单片机模块的UVS管脚导通；感应电压处理模块的OUT2管脚与MCU单片机模块的VVS管脚导通；感应电压处理模块的OUT3管脚与MCU单片机模块的WVS管脚导通。

功率管H桥电路中，第四功率管Q4的管脚3、第五功率管Q5的管脚3和第六功率管Q6的管脚3互相连通，它们的连通点为功率管H桥电路的采样网络连接点S。采样网络连接点S经电机电流采样网络电路而与电机电流处理模块的IN管脚连通。电机电流处理模块的OUT管脚连通至MCU单片机模块的CS管脚。

另外，MCU单片机模块的TEST管脚与单片机电源MCU VCC之间设有一个机械跳线装置SW，用于选择电机的工作模式。

以下对本实施例电路中各组成部分的功能进行说明：

MCU单片机模块:作为本电路的主控单元，其所带有的电机主控程序中包括有120度驱动软件模块、180度驱动软件模块以及电机参数计算软件模块。其输入参数包括来自感应电压处理模块的值、电机电流处理模块的值以及机械跳线的状态；其输出控制包括对功率管驱动模块发出的信号。

功率管驱动模块:用于对电机相电流的方向和幅度进行控制；

功率管H桥电路:是电机的动力执行电路。

感应电压处理模块:用于对输入的电压进行计算，并传至MCU单片机模块。

电机电流采样网络电路:用于对电机相电流进行电流/电压转换。

电机电流处理模块:用于对经电机电流采样网络电路转换的电压进行处理，以计算电流，并传至MCU单片机模块。

本驱动电路可为永磁同步电机带来良好的启动性能和平稳的运转效果，具有结构相对简单、成本较为低廉的优点。

本说明书列举的仅为本发明的较佳实施方式，凡在本发明的工作原理和思路下所做的等同技术变换，均视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种永磁同步电机驱动方法，其特征是：

在电机主控程序中，实施以下步骤：

1）调用120度驱动软件模块对电机进行启动；

3）电机参数计算软件模块向电机主控程序输入d轴电感Ld、q轴电感Lq、发电系数Ke以及转矩常数Kt的值，电机主控程序瞬时停止调用120度驱动软件模块；

4）调用180度驱动软件模块对电机进行驱动。

2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机驱动方法，其特征是：在上述步骤1）之前加入判断运行模式的步骤，判断为要以180度驱动方式运行时，向电机主控程序输入预设的d轴电感Ld、q轴电感Lq、发电系数Ke以及转矩常数Kt的值，并直接调用180度驱动软件模块对电机进行驱动。

3.一种永磁同步电机驱动电路，包括MCU单片机模块、功率管驱动模块、功率管H桥电路、感应电压处理模块、电机电流处理模块和电机电流采样网络电路；MCU单片机模块的输出端与功率管驱动模块的输入端对应连通，功率管驱动模块的输出端与功率管H桥电路的输入端对应连通，功率管H桥电路的电压反馈输出端与感应电压处理模块的输入端对应连通，感应电压处理模块的输出端与MCU单片机模块的对应端连通，功率管H桥电路经电机电流采样网络电路而与电机电流处理模块的输入端对应连通，电机电流处理模块的输出端与MCU单片机模块的对应端连通；所述MCU单片机模块为具有支持电机矢量控制算法的单片机；所述感应电压处理模块为具有通过检测三相绕组感应电压的过零点来确定转速及ud,uq交直轴电压能力的模块；所述电机电流处理模块为具有将检测到的电流分解为对应的iu，iv，iw绕组电流并且可以转换为id，iq交直轴电流能力的模块。

4.如权利要求3所述的一种永磁同步电机驱动电路，其特征是：

MCU单片机模块的输出端包括：UH管脚、VH管脚、WH管脚、UL管脚、VL管脚、WL管脚和FO管脚；功率管驱动模块的输入端包括：HIN1管脚、HIN2管脚、HIN3管脚、LIN1管脚、LIN2管脚、LIN3管脚和FAULT管脚；UH管脚与HIN1管脚连通；VH管脚与HIN2管脚连通；WH管脚与HIN3管脚连通；UL管脚与LIN1管脚连通；VL管脚与LIN2管脚连通；WL管脚与LIN3管脚连通；FO管脚与FAULT管脚连通；

功率管驱动模块的输出端包括：HO1管脚、HO2管脚、HO3管脚、LO1管脚、LO2管脚和LO3管脚；功率管H桥电路中包括有第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5和第六功率管Q6；HO1管脚连通至第一功率管Q1的管脚1、HO2管脚连通至第二功率管Q2的管脚1、HO3管脚连通至第三功率管Q3的管脚1、LO1管脚连通至第四功率管Q4的管脚1、LO2管脚连通至第五功率管Q5的管脚1、LO3管脚连通至第六功率管Q6的管脚1；

功率管H桥电路的第一电压反馈输出端RUA与感应电压处理模块的IN1管脚连通；功率管H桥电路的第二电压反馈输出端RUB与感应电压处理模块的IN2管脚连通；功率管H桥电路的第三电压反馈输出端RUC与感应电压处理模块的IN3管脚连通；感应电压处理模块的OUT1管脚与MCU单片机模块的UVS管脚导通；感应电压处理模块的OUT2管脚与MCU单片机模块的VVS管脚导通；感应电压处理模块的OUT3管脚与MCU单片机模块的WVS管脚导通；

功率管H桥电路中，第四功率管Q4的管脚3、第五功率管Q5的管脚3和第六功率管Q6的管脚3互相连通，它们的连通点为功率管H桥电路的采样网络连接点S；采样网络连接点S经电机电流采样网络电路而与电机电流处理模块的IN管脚连通；电机电流处理模块的OUT管脚连通至MCU单片机模块的CS管脚。

5.如权利要求3所述的一种永磁同步电机驱动电路，其特征是：MCU单片机模块的TEST管脚与单片机电源MCU VCC之间设有一个机械跳线装置SW。

6.如权利要求3或4或5所述的一种永磁同步电机驱动电路，其特征是：MCU单片机模块采用型号为MN103SFJ9D的模块；功率管驱动模块采用型号为6E003206-F的模块；感应电压处理模块采用型号为MN103SFJ9D的模块；电机电流处理模块采用型号为MCP602i的模块。